Jak specifikovat topnou desku s vestavěným-aktivním chladicím okruhem pro vytvrzovací lis na kompozity?

Ve vysokorychlostní{0}}kompozitní výrobní buňce musí deska nejen zahřívat předmět, ale také jej aktivně a rychle ochlazovat na bezpečnou teplotu demontáže. Bez řízeného chlazení dominuje době cyklu přirozená konvekce a pomalá tepelná degradace, což značně snižuje výkon. Proto by měl být do specifikace desky přidán aktivní chladicí okruh jako zásadní požadavek pro rychlost výroby v průmyslovém-měřítku.

Konstrukce aktivního chladicího okruhu topného kompozitního vytvrzovacího systému se v podstatě řídí rychlostí regulovaného odvodu tepla, která může být prováděna bez ohrožení integrity desky nebo rovnoměrnosti teploty.

Definice požadavků na tepelný cyklus
První fází při navrhování duální-funkce desky je specifikovat celý teplotní cyklus.

Typické schémata kompozitního vytvrzování jsou:

Zahřejte na teplotu vytvrzení (např. 120–180 stupňů v závislosti na systému pryskyřice)

Doba zdržení pro úplné-síťování polymeru

Řízené chlazení na teplotu vyjmutí z formy (obvykle 50-70 stupňů)

Fáze chlazení je často úzkým hrdlem v době cyklu.

Specifikace musí výslovně specifikovat:

Požadovaná rychlost chlazení (např. . 180 stupňů za 5 minut na 60 stupňů)

Maximální přípustný teplotní spád povrchu

Povolené překročení teploty během přepínání

Minimální teplota vyjmutí z formy

Tyto charakteristiky přímo určují návrh vnitřního chladicího okruhu.

Schéma aktivního chladicího okruhu
Obvykle je chladicí systém zabudován do tělesa desky jako síť vrtaných kanálů.

Tyto kanály jsou obvykle vyrobeny s:

Techniky vrtání zbraní

Techniky vrtání hlubokých děr

Pokročilé dráhy 3D CNC obrábění

Chladicí kanály jsou obecně umístěny v konfiguraci identické s topnými prvky, ale přesazeny, aby se zabránilo tepelné interferenci a strukturálnímu poškození.

Žíly desky musí pumpovat studenou-vodu do jejího horkého srdce a efektivně odčerpávat tepelnou energii a přitom zachovat mechanickou stabilitu.

Hlavní geometrické proměnné jsou:

Velikost kanálu

Rozteč kanálů

Hloubka (od povrchu ke kanálu)

Schéma rozdělení toku

Konfigurace cesty (zpět)

Všechny parametry ovlivňují tepelný výkon i konstrukční integritu.

Kompromisy tepelného a mechanického návrhu
Návrh chladicích kanálů je v zásadě problém optimalizace s mnoha proměnnými.

Úvahy o průměru kanálu
Větší kanály umožňují vyšší průtok chladicí kapaliny a vyšší rychlosti odvodu tepla. Ale velký průměr znamená menší tloušťku kovového průřezu, což může oslabit strukturu desky proti tepelnému a mechanickému namáhání.

Menší kanály jsou fyzicky robustní, ale mají nízkou schopnost přenosu tepla kvůli malé ploše povrchu a nízkému průtoku.

Je proto potřeba najít rovnováhu mezi:

Chladicí kapacita

Konstrukční robustnost

Vyrobitelnost

Strategie umístění pro kanály
Uspořádání kanálů je obvykle optimalizováno pomocí 3D CAD a tepelné analýzy konečných prvků (FEA).

Simulace FEA se používají k vyhodnocení:

Teplotní profil chlazení

Vytváření horkých míst

Teplotní gradienty povrchu desky

Strukturní napětí v tepelném cyklování

Cílem je dosáhnout rovnoměrného chlazení s malým zkreslením a rovnoměrnou mechanickou tuhostí.

Specifikace výkonu chlazení vysvětleny
Úplná specifikace musí specifikovat cíle pro hydraulický a tepelný výkon.

Požadovaná rychlost chlazení
Potřebná rychlost chlazení je hlavním hnacím motorem návrhu systému.

Například:

Pro systémy s rychlým cyklem mohou být vyžadovány rychlosti chlazení 20-25 stupňů/min

Ve vysoce{0}}přesných systémech může být homogenita důležitější než rychlost.

Toto kritérium určuje průtok, geometrii kanálu a dimenzování výměníku tepla.

Limit stejnoměrnosti teploty
Při chlazení musí být uveden maximální přípustný rozdíl povrchové teploty.

Příliš vysoké sklony mohou vést k:

Kompozitní díly: Zbytkové tepelné napětí

Deformace vytvrzeného laminátu

Nerovnoměrný výkon demontáže

Návrh rozteče kanálů a distribuce toku je obvykle řízen cíli jednotnosti.

Provozní podmínky a volba chladicí kapaliny
Chladicí médium je běžně regulovaná vodná tekutina.

Mezi typické možnosti patří:

Zpracovaná voda

Vodní-glykolové roztoky

Klíčové parametry specifikace jsou:

Teplota chladicí kapaliny, vstup

Dostupná kapacita chlazení

Maximální tlak v systému

Schopnost průtoku:

Tolerance kontaminantů

Hydraulický systém musí být navržen tak, aby fungoval v rámci těchto omezení a nepřekračoval mezní hodnoty poklesu tlaku.

Hydraulická omezení a pokles tlaku
Průtokový odpor je způsoben chladicími kanály, které vyžadují pečlivou regulaci.

Specifikace by měla říkat:

Maximální povolený pokles tlaku přes desku

Maximální dostupný výkon čerpadla

Požadavky na vyrovnávání toku napříč více zónami

Přílišné snížení tlaku může způsobit:

Nerovnoměrné rozložení proudění

Nižší účinnost chlazení

Zvýšená spotřeba energie pro čerpání

Tepelný výkon je tedy stejně důležitý jako hydraulický výkon.

Materiály a specifikace připojení
Materiály používané v chladicích okruzích musí být kompatibilní s-dlouhou dobou vystavení chladicí kapalině.

Společné předpoklady jsou:

Kování odolné proti korozi

Kompatibilní těsnění pro glykol nebo upravenou vodu

Stabilní výkon při tepelném cyklování

Běžně se dodává rychlospojka, takže desku lze snadno odpojit od chladicího systému za účelem údržby nebo výměny nástroje.

To poskytuje systému větší flexibilitu v produkčních scénářích s několika nástroji.

Integrace s tepelným systémem
U většiny vytvrzovacích lisů na kompozity je chladicí okruh integrován s vestavěnými elektrickými topnými články.

Toto musí být pečlivě odděleno, aby se zabránilo:

Tepelné-šortky

Lokalizované oteplování kolem kanálů

Nerovnoměrná tepelná roztažnost

Systémy vytápění a chlazení jsou obvykle modelovány společně v simulaci, aby byly zajištěny hladké přechody mezi fázemi vytápění a chlazení.

Role analýzy konečných prvků v projektování
Tepelná FEA je kritickou součástí při definování:

Rozložení kanálu

Hloubka kanálu

Průměry kanálů

Schéma rozdělení toku

Simulace berou v úvahu přechodné situace, jako jsou:

Fáze zahřívání

Podržte fázi vytvrzování

Fáze rychlého nuceného-chlazení

Tepelný výkon a strukturální integrita jsou tak zachovány během celého cyklu provozu.

Závěrečné myšlenky
Deska s integrovaným chladicím systémem vyžaduje těsné propojení tepelného a hydraulického konstrukčního přístupu. Systém aktivního vytvrzování kompozitního vytvrzování topné desky chladicího okruhu musí být navržen tak, aby zajistil rychlé řízené chlazení při zachování pevnosti desky, teplotní homogenity a dlouhodobé-trvanlivosti.

3D CAD a analýza konečných prvků vylepšené vnitřní kanály vyvrtané pro přesné řízení rychlosti odvodu tepla. Specifikace chladicího výkonu (rychlost chlazení, omezení teplotního gradientu, charakteristiky chladicí kapaliny a omezení poklesu tlaku) určují celkovou geometrii a hydraulický návrh systému.

Aktivně chlazená deska je plně integrovaný tepelný přístroj s ohřevem i chlazením v jednom regulovaném systému. Tato konstrukce umožňuje podstatné zkrácení doby cyklu vytvrzování kompozitu při zachování stability procesu. Deska je skutečným tepelným sportovcem, který dokáže zahřívat i chladit a neustále reagovat na potřeby výroby vysoce-kompozitních materiálů.